俄罗斯科学家发现提高锂离子电池容量和快速充放电方法

  俄联邦研究中心“俄科院西伯利亚分院克拉斯诺亚尔斯克科学中心”下属的基连斯基物理所与西伯利亚联邦大学和国家研究型技术大学“莫斯科钢铁合金学院”的科学家提出，使用石墨烯与单层二硫化钒薄膜的化合物作为锂离子电池的阳极材料，将使电池的容量和充电-放电速度得到提高。该研究结果已发表在《The Journal of Physical Chemistry》杂志上。

  现在，锂离子电池是许多设备（从手机到电动汽车）最普及的电源。与传统电池相比，这些电池的比容量高、使用寿命长和安全性好。尽管有这些优势，增加电池的容量和提高充电速度仍是亟需解决的问题。

  锂离子电池的物理基体是由多孔聚合物材料分隔开的两个电极，即阳极（正）和阴极（负）。充电时，电流把锂离子从阴极移动到阳极，而电池使用时，锂离子向相反方向移动。当电池电量耗尽时，电极之间锂离子的移动能力很低，这就是为什么智能手机买了几个月后，需要比原来更频繁地充电的原因。

  现在，使用石墨烯可以延长电池的寿命。石墨烯是一种独特的二维材料，因发现该材料在2010年授予了诺贝尔物理学奖，它的比表面积大、导电性和弹性好。石墨烯可广泛用于各个工业领域，包括储能设备。

  俄科学家研制的复合材料是由两种异质层（石墨烯和二硫化钒）组成的二维结构，这种薄片的厚度大约为1纳米。研究证实，不仅可以把锂离子限制在该材料的表面上，而且还可以约束在层间的空间里，最终结果导致材料的高比容量。

  科学家估计，该复合材料的正极材料容量可达569mAh/g，比现在锂离子电池最常用于阳极的石墨要高出几乎一倍。理论计算表明，石墨烯和钒的化合物不仅保证电子转移的效果好，而且确保了材料的机械强化。

  除了容量之外，该复合材料关键的特点是锂离子在材料内部的迁移率高。这就可以快速给电池充电或者给大功率设备供电。此外，离子的高迁移率能够使电池在低温下正常工作。

  在研究中科学家还发现另一个重要的特征，在材料充填锂离子后，也能够在复合材料里保持石墨烯独特的电子特性。科学家认为，这种效应为控制石墨烯基纳米材料的性能提供了新的可能。这项研究得到了俄联邦教育科学部和俄罗斯基础研究基金会的资助。